Exempel på tentamensfrågor i Kursdelen Fotografi och Bild Uppgifterna kan ge max 10p vardera. Hjälpmedel: Formelblad "Radiometriska och fotometriska storheter." (bifogad med tentamen) Räknedosa Observera: Skriv namn på ALLA papper som lämnas in. Skriv ALDRIG mer än EN lösning per papper. Skriv ALDRIG på baksidan av papper som skall lämnas in. Rita gärna figurer som förklarar vad införda beteckningar står för. OBS! Såvida inte annat sägs, motivera alla svar och förklara alla införda beteckningar! Talen är inte ordnade i svårighetsgrad. Det kan hända att data ges som du inte behöver använda för problemets lösande. Du får alltså välja ut de data du behöver. (Välkommen till livet som ingenjör!) Uppgift 1 I klassisk fotografi med användande av film brukar man tala om att det uppstår en latent bild vid exponeringen. a) Beskriv kortfattat hur den latenta bilden uppstår, och vad den består av kemiskt. b) Vid framkallningsprocessen spelar den latenta bilden en viktig roll. Förklara kortfattat vad som sker kemiskt vid framkallningen, och varför denna kemiska reaktion sker bara i närvaro av en latent bild. Uppgift 2 Om man använder en kamera i manuell mode kan man ställa in bländartalet och exponeringstiden efter eget önskemål. Typiskt kan bländartalet varieras mellan 2 och 16, och exponeringstiden mellan 1 sek. och 1/1000 sek. a) Vad betyder bländartalssiffran, dvs. vad är det som är 4 när bländartalet ställs in på detta värde? b) Ökar eller minskar belysningen i sensorplanet när bländartalet ändras från 4 till 8? Med vilken faktor ökar eller minskar den? c) Varför slopar man inte bländaren och använder objektivets fulla öppning (vilket ger maximal belysning på sensorn), och anpassar tiden så att exponeringen blir lagom? Ange minst 2 skäl till varför det är bra att ha en bländare.
Uppgift 3 2 f = 14 mm f = 140 mm Bilderna ovan visar samma motiv fotograferat med en och samma digitalkamera, men med olika brännviddsinställningar på zoomobjektivet (14 resp. 140 mm). Man får helt olika uppfattning om hur motivet ser ut när man tittar på de bägge bilderna. I övre bilden ser film-askarna ut att vara kraftigt utspridda i djupled över en bordsskiva, och i den undre bilden ser de ut att ligga på ungefär samma avstånd från betraktaren på en smal hylla. Man kan undra vad som är sant och vad som är falskt. a) Hur ska man gå till väga för att uppnå ett korrekt djupintryck i fotografiska bilder? (Digitalfoto kan behandlas på samma sätt som filmfoto i detta avseende, enda skillnaden är ju att filmrutan ersätts med en elektronisk sensor.) b) Utnyttja resultatet från uppgift a) för att bestämma förutsättningarna som måste vara uppfyllda för att bilderna på föregående sida ska ge korrekta djupintryck (om detta överhuvudtaget är möjligt). Kameran som användes för fotograferingen hade ett objektiv med brännviddsomfång 14 140 mm samt ljusstyrka 2.8. Sensorn var av CMOS-typ med 10.3 Mpixlar fördelade över en yta av 21.5 mm x 14.4 mm. Bägge bilderna är beskurna på höjden, men hela bredden visas (upptar 14 cm i denna tenta).
Uppgift 4 3 Bilderna i nedanstående figurer är tagna med två olika kameror som vi kan kalla A och B. Fig. 1. Fotografier av byggnad resp. upplösningsmönster tagna med kamera A. Fig. 2. Fotografier av byggnad resp. upplösningsmönster tagna med kamera B. a) Vilken av kamerorna A och B har högst upplösningsförmåga? Motivera! b) I Fig. 3 på nästa sida visas kamerornas MTF-kurvor. Besvara med ordentlig motivering vilken MTF-kurva som hör till kamera A resp. B. c) Vilken av MTF-kurvorna i Fig. 3 skulle du föredra i en kamera? Motivera ditt val.
4 MTF 2) 1) Fig. 3.MTF-kurvor för kamerorna i uppgift 7. Ortsfrekvens (normerad) Uppgift 5 Aliasing (= vikning eller moiré-effekt) är ett fenomen som ibland syns i bilder tagna med digitalkameror. a) Ge något exempel på en fotografisk situation där aliasing-fenomen kan uppträda, samt hur det yttrar sig i bilderna. (3p) b) En metod att undvika (eller i varje fall kraftigt minska) aliasing, är att montera ett så kallat anti-aliasing filter framför sensorn i kameran. Antag att sensorn är av CMOStyp, med 10.3 Mpixlar och storleken 21.5 mm x 14.4 mm. Vilket av nedanstående antialiasing filter A C är att föredra, och varför? (7p) MTF filter MTF filter MTF filter A B 60 mm -1 C 40 mm -1 Ortsfrekvens Ortsfrekvens Ortsfrekvens 90 mm -1 Lycka till! Kjell Carlsson
5 Radiometriska och fotometriska storheter Nedanstående lilla sammanställning innehåller endast de absolut mest grundläggande och viktiga begreppen som behövs i samband med fotografi. De är uppdelade på radiometriska storheter och fotometriska storheter. Radiometriska storheter används för att beskriva strålande energi, effekt, effekttäthet mm. De grundläggande fysikaliska enheterna joule, watt etc. används. Vi ska i detta sammanhang enbart erinra om de tre olika storheter som anges i tabellen nedan. Storhet Enhet Strålningsflöde (-effekt) W Radians W m -2 sr -1 Irradians W m -2 Storheten strålningsflöde talar om hur mycket energi som per tidsenhet förmedlas via strålning. Radians handlar om utstrålning (från t.ex. en glödtråd). Denna storhet talar om (vilket syns av enheten) hur mycket effekt som per yt- och rymdvinkelenhet strålar ut. Irradians handlar om instrålning. Det talar om hur mycket effekt som strålar in per ytenhet (mot t.ex. en yta). Fotometriska storheter motsvarar de radiometriska. Enda skillnaden är att de fotometriska storheterna är viktade med avseende på det mänskliga ögats spektrala känslighetskurva. Sålunda kommer våglängder runt 550 nm att ha den högsta viktfaktorn, medan kortare och längre våglängder får en lägre faktor (ju längre bort från 550 nm desto lägre). Våglängder utanför det synliga området får viktfaktorn noll. De fotometriska storheter som svarar mot de tre radiometriska ovan ges av nedanstående tabell. Storhet Enhet Ljusflöde lm (lumen) Luminans lm m -2 sr -1 Belysning lm m -2 (lux) Inom fotografin använder man som regel fotometriska storheter.
6 Lösningar till exempel på tentamensfrågor i Kursdelen Fotografi och Bild (Observera att lösningarna och resonemangen inte alltid behöver vara som de nedanstående. Vissa tal kan gå ut på att göra intelligenta gissningar och slutledningar. Alla lösningar som uppfyller dessa krav belönas med hög poäng. Jag har ibland också lagt till lite extra kommentarer som inte behövs för full poäng på tentalösningarna.) Uppgift 1 a) Ljuskänsliga korn av silversalt, t.ex. AgCl, ligger inbäddade i gelatin. Foton infaller och slår loss valenselektron hos Cl -. Fria elektronen fastnar i någon defekt (s.k. elektronfälla) i saltkristallen. Elektronfällan laddas då negativt och drar till sig Ag +, av vilka det alltid finns ett visst antal som slagits loss ur gittret genom värmerörelse och kan vandra ganska fritt. Ag + plus elektron blir neutral Ag-atom i elektronfällan. Processen upprepas och ger en liten klump av metalliskt silver (ofta storleksordningen 100 atomer) som utgör latenta bilden, dvs minnet av att filmen exponerats för ljus. b) Framkallning innebär att framkallaren lämnar ifrån sig elektroner, vilka reducerar Ag + till Agatomer. Det fälls alltså ut metalliskt silver, vilket ger svärtning i filmen. Detta sker emellertid bara där det finns en latent bild, eftersom framkallningsprocessen katalyseras av metalliskt silver (vilket bara finns där det finns en latent bild). Uppgift 2 f a) Bländartalet F =, där f är brännvidden och D är bländaröppningens diameter (egentligen D den så kallade ingångspupillen, se kap. 10 i kompendiet). b) Belysningen i sensorplanet är omvänt proportionell mot bländartalet i kvadrat. Högre bländartal ger alltså lägre belysning, vilket medför att F = 8 ger en lägre belysning än F = 4, närmare bestämt en fjärdedel så hög. c) 1: Olika bländartal ger olika skärpedjup, vilket kan vara bra att kunna kontrollera. 2: Man får i allmänhet bättre bildskärpa om man inte använder full bländaröppning (avbildningsfelen minskar). Finns det gott om ljus kan man alltså offra en del ljus för att få skarpare bilder. 3: Man klarar av ett större omfång vad gäller motivets ljushet (luminans) om man både kan variera bländare och tid. Vid full bländaröppning och ett mycket ljusstarkt motiv blir kanske bilden överexponerad även för kortaste tiden. Uppgift 3 a) Se komp. kap. 8. Alla bilder har korrekt perspektiv (djupverkan) om de betraktas på korrekt avstånd. Korrekt betraktningsavstånd är objektivbrännvidden multiplcerad med förstoringsgraden från filmruta/sensor till den slutliga pappersbilden. 140 b) I bildexemplen har vi en förstoringsgrad av M = = 6. 5, vilket innebär att korrekt 21.5 perspektiv erhålls vid betraktningsavstånden 6.5 14 90 mm (övre bilden) och 6.5 140 900 mm (undre bilden). I allmänhet betraktar man bilder på ca. 25 cm avstånd, vilket innebär att övre bilden betraktas på för stort avstånd (ger överdriven djupverkan) och den undre på för kort avstånd (ger underdriven djupverkan).
7 Uppgift 4 a) Om man tittar på bilderna av upplösningsmönster ser man att kamera A har högre upplösning än kamera B. I Fig 1 kan man se strecken för alla mönster i kolumnen längst till höger, medan man i Fig. 2 inte kan urskilja de tre tätaste mönstren. b) Kurva 1 hör till kamera A, och kurva 2 till kamera B. MTF-värdet anger kontrasten med vilken mönster av olika tätheter återges. Kurva 1 har klart högre kontrastvärden vid de allra tätaste mönstren, vilket gör att dessa är synliga för ögat och ger en hög upplösning för kamera A. Man ser dock att kurva 1 ger en allmänt ganska låg kontrast för i stort sett alla mönstertätheter, vilket stämmer med Fig. 1 som ser allmänt disig ut och har låg kontrast. Observera den mycket bättre kontrasten för låga och medelhöga mönstertätheter i kurva 2. Det är detta som ger den allmänt bättre kontrasten för streckmönstren i Fig. 2. c) Om man tittar bilden av byggnaden råder ingen tvekan om att kamera B ger ett mycket bättre resultat. Det allmänt suddiga och disiga intrycket man får från kamera A beror, såsom nämndes i b), på att i stort sett alla (utom de allra grövsta) mönstertätheterna återges med dålig kontrast. Det hjälper inte att de allra tätaste mönstren återges bättre med kamera A, allmänintrycket blir trots detta mycket dåligt. Slutsatsen blir alltså att det viktigaste med en MTF-kurva är att den återger låga och medelhöga mönstertätheter med så god kontrast som möjligt. Vad som händer vid de allra högsta mönstertätheterna är inte lika viktigt. Uppgift 5 a) Aliasing-fenomen uppträder när motivet innehåller täta streck-, rut- eller prickmönster (t.ex. tegelväggar, spjälstaket, hår och tyger). Dessa mönster kommer att återges som grövre än de är i verkligheten, vilket kan ge fula grova band över bilderna. b) Aliasing uppträder när den optiska bildens mönsterfrekvens överstiger halva samplingfrekvensen. Samplingfrekvensen är inversen av centrum-till-centrum avståndet mellan pixlarna. Så låt oss börja med att beräkna detta avstånd. Antag att vi har x pixlar längs sensorns höjd (14.4 mm). Bredden (21.5 mm) är 1.49 gånger så stor, vilket innebär att vi har 2 6 1.49x pixlar längs bredden. Totalt antal pixlar blir då 1.49x = 10.3 10 x = 2627. 3 14.4 10 6 Centrum-till-centrum avståndet mellan pixlar blir då s = = 5.5 10 m. 2627 1 5 Samplingfrekvensen ν s = = 1.82 10 m -1 = 182 mm -1. Högsta tillåtna mönsterfrekvens i s optiska bilden är hälften så hög, dvs 91 mm -1. Om vi tittar på filtrens MTF-kurvor ser vi att alla har en gränsfrekvens under detta värde, vilket innebär att alla kommer att ta bort aliasingfenomenen perfekt. Men det är dumt att ha en gränsfrekvens långt under halva samplingfrekvensen, eftersom detta gör att man i onödan förlorar bilddetaljer som skulle kunna återges korrekt. Bilden blir då suddigare. Detta innebär att man bör välja filter A.